Что называют основным сопротивлением движению поезда

Основное сопротивление движению поезда

Основное сопротивление поступательному движению возникает в результате: трения в буксовых подшипниках; от сопротивления качения колёс по рельсам; трения скольжения колёс по рельсам; сопротивления от рассеивания энергии движения поезда верхним строением пути и подвижным составом; воздушного сопротивления; сопротивления за счёт работы поглощающих аппаратов автосцепок состава.

Рисунок 1. Сопротивление движению от трения в подшипниках буксового узла: К₁ – сила сопротивления движению от трения в подшипнике буксового узла; D_K – диаметр колесной пары по кругу катания; F_б – сила трения качения подшипника в буксе.

Сила сопротивления от трения подшипников букс колёсных пар (рисунок 1). Поступательное движение подвижного состава сопровождается качением колёс по рельсам, вращение которых возможно за счёт сцепления колес с рельсами и подшипников осей колёсных пар. От трения в подшипниках букс возникает момент (М_п) сопротивления вращению колесной пары. Этот момент направлен против момента вращения колеса (М_к) при поступательном движении. Величина момента сопротивления от трения в подшипниках букс зависит от: конструкции подшипника (скольжения или качения); конструкции буксового узла (челюстная, поводковая букса); качества сборки при монтаже буксового узла; от смазки – её чистоты, качества и количества; температуры буксового узла и многих других факторов.

Сопротивление от качения колёс по рельсам (рисунок 2). От статической нагрузки подвижного состава каждое колесо прогибает рельс, а при движении возникает «волна» перед колёсами, которую колесо «пытается» преодолеть. Отсюда – чем твёрже грунт, чем мощнее рельсы, тем меньше их изгиб и «волна» перед колёсами, т.е. меньше сопротивление от качения колёс по рельсам, и наоборот. В зимнее время при низких температурах грунт, рельсы и колёса подвижного состава становятся твёрже, поэтому эта составляющая основного сопротивления движению уменьшается относительно летнего периода эксплуатации.

Рисунок 2. Сопротивление движению от качения колеса по рельсам:

Сопротивление от трения скольжения колёс по рельсам (рисунок 3). Многочисленными исследованиями установлено, что колёса подвижного состава взаимодействуют с рельсами не в точках касания, а площадках в виде эллипса. Причём, чем меньше диаметр и твёрже колесо, тем меньше пятно контакта. Пятно контакта зависит и от твёрдости рельс и грунта, чем меньше прогибается рельс от нагрузки колеса, тем меньше пятно контакта, и наоборот. В центре пятна контакта возникают наибольшие напряжения, величина которых может превысить предел текучести металла рельса и колеса. Это вызывает износ и рельс и колёс подвижного состава.

Рисунок 3. Сопротивление движению от трения скольжения колес по рельсам.

В зависимости от степени износа рельса и колеса контактная площадка может принимать различную форму – не только эллипса, но и круга, полоски. Пятно контакта существенно влияет на сопротивление движению, так как при поступательном движении подвижного состава перекатывания колёс будут сопровождаться трением скольжения частей взаимодействия колёс в пределах пятна контакта с рельсами вследствие разных диаметров профиля поверхности качения колёс. Кроме того, колёса жёстко связаны осью. Поэтому поступательное движение будет сопровождаться проскальзыванием одного колеса относительно другого, т.к. пути качения относительно поступательного пути из-за разницы диаметров кругов катания будут разные. Этот эффект усугубляется вилянием колёсной пары во время движения от одного рельса к другому даже на прямых участках пути (рисунок 4).

Рисунок 4. Виляние колесных пар при движении подвижного состава в прямом горизонтальном участке пути.

В режимах тяги или торможения проявляются упругие свойства обода и рельса. В зависимости от величины касательной силы обода происходит упругое перемещение точки взаимодействия вперёд обода колеса относительно рельса в режиме тяги, или назад в режиме торможения (рисунок 5). С увеличением касательной силы больше реактивной силы сцепления в режиме тяги колесо начинает проскальзывать, увеличивая обороты не соответствующие частоте вращения при поступательном движении локомотива. Этот эффект называют «боксование» (от слова бокс).

Рисунок 5. Упругое перемещение центра взаимодействия колеса и рельса: а) режим тяги; б) режим торможения.

В режиме торможения (рисунок 5б), при достижении предела по сцеплению происходит уменьшение частоты вращения колёс относительно частоты вращения колёс при поступательном движении подвижного состава на выбеге, вплоть до полного прекращения вращения колёс по рельсам. Прекращение вращения колёс при поступательном движении подвижного состава, называемый юзом, сопровождается скольжением пятна контакта колёс относительно поверхности рельс, образуя площадки на поверхности кругов катания колес, называемые ползунами.

Рисунок 6. Характеристика взаимодействия пятна контакта колеса и рельса локомотива в режимах тяги и торможения.

Диаметр гребней колёсной пары больше диаметра круга катания. Поэтому касание гребня внутренней плоскости головки рельса всегда сопровождается трением скольжения направленным против поступательного движения, создавая силу сопротивления движению. Перевод рельсовой колеи с 1524 мм на 1520 мм значительно уменьшило свободу качения колёс цилиндрической частью обода и чаще гребень трётся о внутреннюю плоскость головки рельса. Это приводит к интенсивному износу гребней колёсных пар и внутренней части головок рельс (рисунок 7).

Рисунок 7. Характерные износы частей бандажа и рельса в процессе эксплуатации.

Сопротивление движению от неровности рельсового пути (рисунок 8), возникающего от ударов при прохождении стыков и неровностей рельсового пути, как на перегонах, так и горловинах станций, особенно при движении по стрелочным переводам. Момент скатывания колеса с одного рельса на другой сопровождается ударом. Составляющая силы удара направлена против движения подвижного состава. Чем больше рельсовых стыков под движущимся поездом, тем интенсивнее сопротивление движению. Кроме того, рельсы неравномерно изнашиваются в вертикальной плоскости, особенно в местах частого боксования колёсных пар локомотивов и торможении поезда, например – станционных путях, пунктах остановки, на подъёмах и крутых затяжных спусках. Эта неравномерность износа поверхности головки рельс, подобно стыку создаёт дополнительное сопротивление движению поезда. Бесстыковой («бархатный») рельсовый путь значительно снижает сопротивление движению поезда.

Рисунок 8. Сопротивление движению от неровности рельсового пути.

Сопротивление движению от воздушной среды.Поезд при движении вынужден преодолевать аэродинамическое сопротивление воздушной среды. Перед лобовой частью поезда образуется зона сжатого воздуха, который оказывает давление на лобовую часть локомотива. Боковые поверхности и крыши подвижного состава соприкасаются со струями скользящего по ним воздуха, увлекают часть его за собой, создавая поток и трение части воздуха о стенки подвижного состава. В междувагонном пространстве образуются завихрения. Под подвижным составом часть воздуха увлекается поездом, который, соприкасаясь с верхним строением пути, создаёт сопротивление движению. За последним вагоном поезда образуется разрежение. Эти явления вызывают внешние силы, направленные против движения поезда, образуя силу сопротивления воздушной среды. Сила сопротивления воздушной среды изменяется пропорционально квадрату скорости и имеет большое значение для организации скоростного движения поездов. Обтекаемая форма лобовой и хвостовой частей состава значительно снижает сопротивление движению подвижного состава (Рисунок 9).

Рисунок 9. Сопротивление движению от воздушной среды.

Сопротивление движению от поглощающих аппаратов автосцепок Движение поезда сопровождается продольными динамическими силами, вызывающие рывки по длине поезда за счёт упругих элементов сцепления, большой весовой разницы вагонов, смены режима ведения поезда, изменения профиля пути и ряда других причин. Эти рывки и продольные колебания по длине поезда частично поглощаются сцепными устройствами, рассеивая энергию в окружающую среду и снижая кинетическую энергию поезда. На восполнение этих потерь затрачивается работа силы тяги локомотива.

Источник

Сопротивление движению поезда

Возникающие при движении поезда силы трения в узлах подвижного состава, силы взаимодействия между подвижным составом и путем, наружными поверхностями подвижного состава и окружающей воздушной средой, а также силу тяжести, проявляющуюся на уклонах пути, относят к силам сопротивления движе­нию поезда. Равнодействующая всех этих сил обычно направлена против направления движения и лишь на крутых спусках совпа­дает с ним. Значения всех сил сопротивления не зависят от маши­ниста, однако он должен знать, что эти силы, из-за разных причин, изменяются, и в соответствии с этим при ведении поезда регулировать режим работы электровоза.

Полное сопротивление движению поезда (локомотива и ваго­нов) W подразделяют на основное W0 и дополнительное Wд

Основное сопротивление движению. Оно представляет собой сумму всех сил, препятствующих движению на прямых горизон­тальных участках пути, и возникает в результате взаимного тре­ния деталей подвижного состава, сопротивления от взаимодействия; пути и подвижного состава, а также сопротивления воздушной среды при отсутствии ветра.

Сопротивление от взаимного трения деталей подвижного состава. Это сопротивление, прежде всего, зависит от силы трения в буксовых подшипниках колесных пар, определяется типом и состоянием подшипников, качеством и количеством смазки, температурой наружного воздуха (влияет на вязкость смазки), скоростью движения поезда и нажатием подшип­ника на шейку оси. В роликовых буксовых подшипниках вместо трения скольжения действует трение качения, что обеспечивает значительное уменьшение сил трения; следует учитывать, что сила нажатия на буксовую шейку оси колесной пары электровоза пре­вышает 10 тс, а у полностью груженых вагонов достигает 9 тс.

Внутреннее сопротивление движению электровоза обусловлено также трением в зубчатой передаче, якорных и моторно-осевых подшипниках, между щетками и коллекторами тяговых двигателей и т. п.

Внутреннее сопротивление уменьшается при правиль­ном уходе и исправном состоянии этих узлов.

Сопротивление от взаимодействия пути и по­движного состава. Оно возникает в результате трения каче­ния и трения скольжения между колесами и рельсами. При боль­шой твердости материала колес и рельсов они меньше вдавли­ваются друг в друга и трение качения уменьшается; применений бесстыкового пути и рельсов более тяжелого типа также уменьшает это трение. Трение скольжения между колесом и рельсом возни­кает при неравенстве диаметров колес одной колесной пары, соприкосновении гребней бандажей с боковыми гранями головок рельсов и поперечном скольжении во время виляния тележек. Чем выше скорость, тем больше препятствуют движению эти явления.

Необходимо учитывать также толчки от набегания колес на торцы рельсов на стыках, крестовинах стрелочных переводов. Это сопротивление может быть снижено улучшением содержания по­лотна железной дороги и рельсов, а также увеличением длины рельсов. Неровности рельсов или бандажей колес (выбоины, оваль­ность) также увеличивают сопротивление движению, так как при вертикальном перемещении ходовых частей часть энергии локомо­тива поглощается деталями рессорного подвешивания, как самого электровоза, так и вагонов; кроме того, имеются потери энергии в обрезиненных деталях поводков букс.

Сопротивление воздушной среды. Оно вызывается давлением воздуха на лобовую поверхность подвижного состава, разрежением воздуха за задней торцовой стенкой каждого вагона и трением поверхности подвижного состава о воздух. На значе­ние этого сопротивления наибольшее влияние оказывают скорость движения поездов, форма вагонов и локомотива.

Мероприятия по уменьшению основного сопротивления движе­ния:

— полная загрузка вагонов; правильное формирование составов (сосредоточение однотипных вагонов по группам — полувагонов, платформ и т. п.);

— закрытие дверей и люков, улучшающее обте­кание вагонов воздухом;

— устранение трения тормозных колодок о колеса;

— улучшение состояния верхнего строения пути;

— сокраще­ние времени стоянок, облегчающее трогание составов с места, особенно в зимнее время.

Подсчет основного сопротивления движению: Полное основное сопротивление движению поезда Wо складывается из основных сопротивлений движению локомотива W’о и состава W»o, т. е. Wo=W’o+W»o.

Дополнительное сопротивление движению поезда. Это сопротивление возникает при движении в кривых, по уклонам, при низкой температуре наружного воздуха и сильном встречном и боковом ветре.

Для уменьшения дополнительного сопротивления движении смягчают профиль пути, увеличивают радиусы кривых, смазывая боковые поверхности головок наружных рельсов в кривых или гребни бандажей специальной смазкой, закрывают двери грузовых вагонов, пассажирские вагоны скоростного движения выполняют более обтекаемой формы.

Сопротивление от уклонов. Крутизну уклона определяют как отношение разности высот (от горизонтальной линии начала и конца уклона к длине участка, на котором расположен уклон, т. е.

Сопротивление от кривых участков пути. При движении по кривым под действием силы инерции гребни банда­жей колесных пар прижимаются к боковой поверхности головки наружного рельса, что приводит к возникновению тремя между ними. При большой кривизне пути, малом поперечном разбеге колесных пар в трехосных тележках не только концевые колес­ные пары прижимаются к наружному рельсу, но и средние (2-я и 5-я) к внутреннему рельсу. Кроме того, возникают дополнитель­ные усилия в опорах кузовов и ударно-тяговых приборах, как у ло­комотивов, так и у вагонов. Все это вызывает дополнительное сопротивление движению в кривой.

Сопротивление движению от ветра. Встречный или боковой ветер вызывает дополнительное сопротивление движению, особенно возрастающее при высоких скоростях; попутный ветер способствует повышению скорости движения. Боковой ветер, при­жимая гребни колес к рельсам, приводит к значительному увели­чению сопротивления движению, особенно вагонов, следующих с открытыми дверями и люками.

Сопротивление движению от низкой температуры наружного воздуха. При низких температурах со­противление движению возрастает в основном за счет повышения вязкости смазки в узлах трения. Его учет рекомендуется произ­водить при температурах ниже — 25°С в процентах от основного сопротивления движению; например, для грузовых вагонов при скорости 80 км/ч и температуре воздуха — 30 °С это повышение сопротивления принимается равным 7%.

Источник

Сопротивление движению

4.2.1. Общие сведения

Сопротивлением движению называют эквивалентную силу, на преодоление которой затрачивается такая же работа, как и на преодоление всех действительных сил, направленных против движения.

Сопротивление движению условно подразделяют на три составляющие:

— основное сопротивление движению, то есть сопротивление движению по прямому горизонтальному участку пути при метеорологических условиях, которые считают нормальными: температура наружного воздуха t_н._в=+20°С, барометрическое давление — 760 мм ртутного столба (1013 гПа), ветер отсутствует;

— добавочное сопротивление движению, которое появляется при особых обстоятельствах (трогание поезда с места, движение в тоннеле и т. д.).

4.2.2. Колесная пара и рельсовый путь

Неотъемлемой частью любой единицы железнодорожного подвижного состава является колесная пара, которая представляет собой

Для устойчивого и надежного качения колес по рельсу бандаж имеет специальный профиль (рис. 4.3), размеры которого регламентированы нормативными документами. Конусность бандажа обеспечивает перемещение точки контакта колеса с рельсом при перемещении колесной пары в процессе, качения поперек пути и тем самым распределяет износ бандажа по его ширине. Гребень бандажа (реборда) необходим для ограничения поперечного перемещения, колесной пары в ycтановленных пределах и для направления движения подвижного состава на кривом участке пути («для вписывания в кривую»). Бандаж выполняется из специальной стали с повышенной износостойкостью, профиль его по мере износа нарушается, а восстанавливается в процессе эксплуатации путем обточки в депо. Предельно изношенный бандаж заменяют новым.

Колесная пара опирается на рельсы железнодорожного пути. Конусность бандажа и форма головки рельса способствуют установке колесной пары в среднее положение, изображенное на рис.4.3. Качение происходит по некоторой окружности диаметром D_K, называемой кругом катания. Колесная пара может в процессе качения перемещаться поперек пути в пределах двойной величины зазора А.

Сила, с которой действует колесо на рельс, кН,

(4.1)

где т_Л — масса локомотива, т;

g — ускорение силы тяжести, м/с 2 ;

Рис. 4.3

Рис.4.4

Для того чтобы избежать деформаций грунта путем изменения давления на него, рельсовый путь имеет специальную конструкцию. Он состоит из нижнего строения пути (земляное полотно и искусственные сооружения) и верхнего строения и является достаточно сложным и дорогостоящим сооружением. Достаточно сказать, что на путевое хозяйство приходится около 53% основных фондов железнодорожного транспорта.

Верхнее строение пути (см. рис. 4,2) состоит из балластной призмы 6, на которую укладывают шпалы 7, а на них с помощью прокладок 8 укрепляют рельсы 9. Поверхность прокладок под рельсы обеспечивает наклон рельсов по отношению к вертикальному положению на угол а (см. рис. 4.3).

Рельсы изготавливают из специальных сталей на прокатных станах металлургических заводов. На железных дорогах страны использованы рельсы типов Р50, Р65 и Р75, имеющие массу каждого погонного метра соответственно 50, 65 и 75 кг, длина каждого рельса 25 м. Рельсы прикрепляют к деревянным шпалам костылями. Шпалы перед укладкой пропитывают специальными составами, предохраняющими их от гниения. На 1 км пути приходится 1800—2000 шпал. Кроме деревянных используют железобетонные шпалы, однако и они, как показывает практика, подвержены коррозии. В продольном направлении рельсы соединены накладками, между. торцами рельсов имеется зазор для компенсации изменения их длины в зависимости от температуры наружного воздуха.

Для балластной призмы используют щебень, песок и другие подобные материалы в зависимости от наличия их в той или, иной местности. Наилучшим является щебеночный балласт, его используют на грузонапряженных магистральных линиях.

В результате передачи силы давления колеса на рельс последовательно по элементам верхнего строения пути давление снижается от 3500•10 2 кПа в месте контакта колеса и рельса до (0,8—1,0)·10 2 кПа на поверхности земляного полотна, которое не нарушает его прочности. Значения давлений по элементам верхнего строения пути показаны на рис. 4.2.

В настоящее время получает широкое применение бес стыковой — «бархатный» путь. Отдельные звенья рельсов сваривают в плети длиной от 150 до 950 м. В местах соединения плетей предусматривают специальный стыковой узел для компенсации температурных изменений длины рельсов. На железных дорогах страны эксплуатируется около 40 тыс.км бес стыкового пути.

На сооружение 1 км железнодорожной линии расходуется 100—170 т металла, 185м 3 дерева и около 1500 м 3 щебня. Конструкция железнодорожного пути более подробно рассмотрена в [2].

На железных дорогах РК в настоящее время ширина колеи (расстояние между внутренними гранями головок рельсов) принята равной 1520 мм. С начала постройки железных дорог в стране до 1971 г. она составляла 1524 мм (пять английских футов — 5*304,8 = 1524 мм). Для повышения устойчивости движения с 1971 г. все вновь строящиеся железные дороги имеют ширину колеи 1520 мм, на эту ширину постепенно переводится вся сеть железных дорог (после выполнения очередного капитального ремонта пути).

В различных странах мира используют различную ширину колеи; от 1667 мм (Индия, Япония, Португалия и ряд стран Южной Америки) до 1435 мм, не считая узкоколейных железных дорог (до 750 мм). В странах Западной Европы ширина колеи принята равной 1435 мм.

Путевое хозяйство железнодорожного транспорта является весьма ответственной его частью, от технического состояния железнодорожного пути зависит безопасность движения поездов. Содержанием пути в исправном состоянии занимается большой отряд работников железнодорожного транспорта, составляющий около 20% всех работников, занятых в сфере эксплуатации.

4.2.3. Основное сопротивление движению и его составляющие

Основное сопротивление движению поезда зависит от конструкции и технического состояния подвижного состава и верхнего строения пути. Его значение складывается из основных сопротивлений движению локомотива W₀‘ и состава (вагонов) W₀«:

(4.2)

Значение основного сопротивления движению определяется физическими процессами, сопровождающими качение колес подвижного состава по рельсовому пути, а также движением самого подвижного состава в воздушной среде, имеющей определенную плотность.

Основное сопротивление движению обусловлено следующими факторами:

— сопротивление трения качения колес по рельсам, связанное с микро деформациями колеса и рельса (см. рис. 4.4). При больших значениях деформаций (например при движении велосипедного колеса по песчаной тропе) эта составляющая сопротивления движению будет значительно больше, чем при качении стального колеса по стальному рельсу;

Рис. 4.5

— сопротивление от трения скольжения колеса относительно рельсов. Вследствие конусности бандажей и возможности поперечного перемещения колесной пары- качение каждого колеса может происходить по окружностям разных диаметров: D_<>D₂ на рис.4.5, что при жесткой связи двух колес на одной оси неминуемо приводит к проскальзыванию колес относительно рельсов: возникают дополнительные силы трения; возникает также трение гребня бандажа о головку рельса (о рельс 2 на рис. 4.5);

— сопротивление от трения в подшипниках, в которых вращаются колесные пары. При использовании подшипников качения (обычно — роликовых) эта часть, входящая в общее сопротивление движению, меньше, чем при использовании подшипников скольжения;

-сопротивление от деформации верхнего строения пути и от наличия стыков в рельсовой колее. Под давлением колесной пары конец рельса прогибается и при вступлении ее на следующее звено возникает сила, направленная навстречу движению;

— сопротивление воздушной среды — аэродинамическое.

Лобовая часть локомотива создает сжатие воздуха, а в хвостовой части состава образуется разряжение. Кроме того, возникает трение между боковыми стенками локомотива и вагонов и окружающим поезд воздухом. Эта часть основного сопротивления движению зависит от обтекаемости форм локомотива и вагонов. Заметим, что в авиации при высоких скоростях движения выбор рациональных форм летающих аппаратов является одним из решающих моментов, характеризующих их летные качества.

Каждая из составляющих основного сопротивления движению зависит от большого количества факторов, что чрезвычайно затрудняет установить расчетным путем его действительное значение. Основное сопротивление изменяется в процессе движения по весьма сложным закономерностям или случайным образом: На помощь приходит эксперимент. Путем обработки данных, полученных в результате специально проведенных испытаний, устанавливают, как значение основного сопротивления движению, так и характер его изменения в зависимости от основных факторов для каждого типа подвижного состава. Способы обработки данных рассматриваются в разделе математической статистики курса высшей математики.

Опытами установлено, что на величину основного сопротивления движению оказывают влияние три параметра: скорость движения; сила, действующая от колесной пары на рельсовый путь, в железнодорожной терминологии — нагрузка на ось (или масса на ось) и масса единицы подвижного состава (локомотива или вагона), то есть

(4.3)

(4.4)

где — скорость движения;

Более подробно с физическими процессами, возникающими при движении подвижного состава по рельсовому пути и с формулами, определяющими каждую составляющую основного сопротивления движению, можно ознакомиться в [1].

4.2.4. Основное удельное сопротивление движению

Для практических расчетов оказалось более удобным использовать так называемые удельные значения сопротивления движению, то есть полное основное сопротивление движению, отнесенное к силе тяжести единицы подвижного состава, Н/кН:

(4.5)

(4.6)

где w₀‘ и w₀« — основное удельное сопротивление движению локомотива и вагона соответственно, Н/кН;

Рис. 4.6

m_Л и m_В — масса локомотива и вагонов соответственно, т.

На основании проведения большого количества опытов получают множество значений w₀ для определенного типа, подвижного состава (рис. 4.6), а для грузовых вагонов — для каждого значения массы на ось. С помощью специальных математических приемов производят обработку результатов опытов и находят формулу для зависимости ω₀(υ, m_в.₀), которая является эмпирической. Значения ω₀, найденные по такой формуле, являются наиболее вероятными для данного типа подвижного состава или, используя терминологию теории вероятностей, его математическим ожиданием. Эмпирические формулы для определения основного удельного сопротивления движению имеют вид:

а) для грузовых вагонов, Н/кН,

(4.7)

б) для электровозов Н/кН

(4.8)

В приведенных формулах:

v — скорость движения, км/ч;

а, в, с, d, т, п и р — коэффициенты, значения которых находят в процессе математической обработки экспериментальных данных.

Особенность расчета по эмпирическим формулам, в отличие от аналитических, заключается в том, что выходящие в них величины необходимо подставлять в единицах измерения, указанных в, пояснениях к формуле. Проверить размерность полученной величины по размерностям входящих в формулу составляющих не представляется возможным.

Удельное основное сопротивление движению поезда, состоящего из локомотива и вагонов одного типа, определяют по формуле, Н/кН:

(4.9)

где — масса состава, т;

Полное сопротивление движению как поезда, так и отдельно локомотива или вагонов принято выражать в кН.

Тогда, для поезда, кН

(4.10)

Необходимо иметь в виду, что в технической литературе до перехода на международную систему единиц (СИ) использования термин «вес», вместо «масса». Вес электровоза обозначался буквой Р, а вагонов— Q, сила измерялась в кгс (килограмм-сила). Тогда основное удельное сопротивление движению имеет размерность кгс/т (килограмм—сила сопротивления движению на тонну веса подвижного состава). Коэффициенты в формулах (4.7 и 4.8) остаются прежними.

В качестве примера приведем расчет полного и удельного основного сопротивлений движению поезда массой 5000 т, состоящего из четырехосных груженых вагонов на роликовых подшипниках с массой на ось m_B.O = 22т, ведомого электровозом массой 184 т при скорости 70 км/ч.

Основное удельное сопротивление движению вагонов, по формуле в [1],

Основное удельное сопротивление движению электровоза, по формуле в [1],

Основное удельное сопротивление движению поезда, по (4.9),

Полное основное сопротивление движению поезда, по (4.10)

4.2.5. План и профиль железнодорожного пути

Вид на трассу железнодорожного пути сверху, то есть проекция трассы на горизонтальную плоскость, называется планом железнодорожной линии. Она состоит из прямых и кривых участков (рис. 4.7). На новых линиях используют кривые радиусом R_КР = 1200 и 4000 м, при трудном рельефе местности допускаются кривые радиусом 500 и 600 м. Для плавного перехода подвижного состава с прямого на кривой участок пути они соединяются переходной кривой, радиус которой является переменной величиной: в начале переходной кривой (НПК) R_П.КР.= (рис. 4.8), а в конце (КПК) R_П.КР.=R_КР. Для облегчения вписывания в кривую ширина колеи в ней больше, чем на прямом участке, а для повышения устойчивости движения наружный рельс располагают выше внутреннего. Вертикальный разрез земляного полотна и земной поверхности по пути называют профилем железнодорожной линии (рис. 4.9).

Рис.4.7

В соответствии с профилем земной поверхности по трассе железнодорожная линия состоит из площадок, подъемов и спусков. Крутизна подъема или спуска, выраженная в тысячных долях, измеряется отношением высоты подъема, к длине линии.

Тысячная доля числа называется промилле или просто «тысячная» и обозначается символом %о (сравните: сотая доля числа называется процентом и обозначается символом %).

Крутизна подъема (или спуска), %о,

(4.11)

Если, например, h=5м, a s=1000м(см. рис.4.9), подъем имеет крутизну пять тысячных (i = 5%₀).

Общее представление о характере трассы железнодорожной линии дает ее сокращенный профиль (рис. 4.10), на котором указывают все подъемы, спуски и площадки с соответствующими значениями крутизны и длины, атакже кривые с указанием радиуса R и длины L. На графическом изображении профиля показывают километровые отметки, оси станций, а также расположение сигналов. На рис.4.10 последние не изображены.

4.2.6. Дополнительное и добавочное сопротивления

Наличие подъемов и кривых создает дополнительное сопротивление движению подвижного состава.

4.2.6.1. Рассмотрим поезд, движущийся по подъему крутизной i, %о, в направлении, указанном на рис. 4.11 стрелкой.

Сила тяжести поезда, направленная вертикально, кН,

(4.12)

Ее можно разложить на две составляющие, из которых одна перпендикулярна рельсовому пути ( ) и уравновешивается силой, приложенной от рельсового пути к колесам подвижного состава, а другая параллельна рельсовому пути и направлена навстречу движению поезда. Эта составляющая силы тяжести препятствует движению и является дополнительным сопротивлением от подъема:

(4.13)

(4.14)

Если значения т_Л и т_В даны в т, то для получения силы дополнительного сопротивления движению и формула, (4.13) примет вид:

(4.15)

(4.16)

Удельное сопротивление движению от подъема с учетом (4.16),%0.

(4.17)

Таким образом, значение дополнительного удельного сопротивления движению от подъема в Н/кН численно равно значению крутизны подъема в °/_оо, то есть w_i в Н/кН равно i в %_о.

Дополнительное сопротивление движению может быть направлено против движения поезда (при следовании по подъему) или совпадать с ним (движение по спуску). В последнем случае величина W_iпо существу не является сопротивлением движению, а представляет собой движущую силу.

Допустим, что к колесной паре приложен вращающий момент М_К.П. Он может быть представлен в виде пары сил, одна из которых F_K.Д. / приложена от колеса к рельсу, а другая F_K.Д«— от шейки оси к буксе, закрепленной в раме тележки, то есть к тележке: .

Сила, приложенная от колеса к рельсу, уравновешивается силой, приложенной от рельса к колесу, которая вследствие наличия силы G_KП является, по своей физической природе силой трения, причем

Сила F_K.Д» приложена к тележке и является по отноше­нию к ней внешней силой, которая и вызывает поступательное движение тележки, причем

(4.19)

Таким образом, сила F_K.Д» возникает только благодаря трению (принято говорить — сцеплению) в точке касания колес с рельсами и поэтому называется касательной силой тяги

(4.20)

Если тележку поднять над рельсами и приложить к колесной паре вращающий момент, то она будет вращаться, но никакого поступательного движения тележки не возникнет. Следовательно, появление силы тяги возможно только при наличии силы, обеспечивающей появление сцепления в месте контакта колеса и рельса.

Если не укреплять рельсы и обеспечить неподвижность тележки, то под действием силы будет происходить перемещение рельсов относительно неподвижной тележки.

Заметим, что на участках с трудным профилем, на которых необходимо развивать значительную силу тяги, предусматриваются специальные устройства — противоугоны, препятствующие смещению пути под действием силы _..На 25 м устанавливают 20—40 пар противоугонов (рис. 58 и 59 в [2]).

Касательная сила тяги (в дальнейшем просто «сила тяги») электровоза является суммой сил тяги, развиваемых всеми колесными парами электровоза, оборудованными тяговыми двигателями, которые называют движущими:

(4.21)

(4.22)

Эту силу называют силой тяги на автосцепке.

4.3.3. Закон сцепления

Если F_КДпревзойдет максимальное при данных условиях значение силы трения Т_mах,то сцепление колеса с рельсом нарушится; произойдет проскальзывание колеса относительно рельса. Этот процесс называется боксованием. Начало боксования определяется условием:

(4.23)

где ψ_к— коэффициент сцепления.

Таким образом, коэффициент сцепления есть отношение наибольшей силы тяги, развиваемой колесной парой без боксования, к вертикальной силе в месте касания колеса и рельса.

Процессы, сопровождающие возникновение сцепления, между колесом и рельсом, чрезвычайно сложны и многообразны. Исследования коэффициента сцепления и его зависимости от воздействующих факторов начались еще в середине XIX века (Пароди, Пуаре —Франция) и продолжаются до сегодняшнего дня.

Для электровоза в целом

(4.25)

где F_K.СЦ— максимально возможная по условиям сцепления сила тяги электровоза, кН;

Значение , так как силу тяжести электровоза точно распределить между всеми колесными парами невозможно. Следовательно, часть колесных пар будет иметь меньшие значения нагрузки на ось, а остальные — большие.

Распределение силы тяжести между осями зависит от конструкции рессорного подвешивания и его технического состояния. Кроме того, установленное распределение при неподвижном электровозе будет нарушаться при его движении.

Опытами установлено, что в основном ψ зависит от скорости поступательного движения ψ( ). Однако в реальных условиях на значение ψ действуют и другие факторы, влияние многих из них количественной оценке не поддается. На помощь приходит эксперимент. В результате проведения большого количества опытов вычисляют значения ψ при различных скоростях движения (рис. 4.17) и путем математической обработки их результатов (см. 4.2.4) устанавливают, эмпирические формулы для определения расчетного значения коэффициента сцепления, которые имеют вид:

(4.26)

для электровозов постоянного тока;

(4.27)

Разница в значениях ψ для электровозов различных систем тока объясняется особенностями их электрических схем, что будет рассмотрено в специальных дисциплинах.

4.3.4. Максимальная сила тяги

Максимальная сила тяги электровоза, которую он может развивать по условиям сцепления,

(4.28)

определяет тяговые возможности электровоза.

Рост перевозок на железнодорожном транспорте требует увеличения масс поездов, а для их движения необходимо увеличение силы тяги, развиваемой электровозом. Это может быть достигнуто увеличением количества движущих осей электровоза и массы, приходящейся на каждую ось.

На тяжелых по профилю пути участках используют, «кратную» тягу, то есть соединение нескольких электровозов: в одну тяговую единицу с управлением из одной кабины (система многих единиц — СМЕ), применяют подталкивание поезда на более трудных перегонах дополнительным локомотивом (толкачом).

Увеличение нагрузки на ось ограничивается прочностью железнодорожного пути, определяемой, в основном допустимыми значениями сил, действующих на рельсы.

Однако во всех случаях лимитирующим является коэффициент сцепления одной оси. Из множества способов повышения коэффициента сцепления, предложенных в различные периоды развития железнодорожного транспорта, практически используют только один — подсыпку песка под колеса электровоза. Электровоз имеет бункеры для размещения песка, который через специальную, систему трубопроводов с помощью сжатого воздуха подается. непосредственно к месту контакта колеса и рельса. Подсыпка песка производится машинистом с помощью ручного управления или автоматически при возникновении боксования. Песок должен быть сухим и не содержать примесей (особенно глины).

В настоящее время для снабжения (экипировки) локомотивов на сети железных дорог РК расходуется около 3 млн т сухого песка в год и затраты на пескоснабжение составляют около 7 млн тг.

Дата добавления: 2015-11-06 ; просмотров: 4129 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник